4-20mA Druckluftmessumformer und Elektronik wie überprüfen?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo zusammen, 

ich habe eine Frage bezüglich der Überprüfung solch einen Druckluftsensors oder genauer ausgedrückt Druckmessumformer?

Bild vom Sensor und der möglichen Schaltung

Aus meiner Erfahrung ist in den meisten Fällen der Sensor defekt und in den seltensten Fällen die Elektronik.
Bei meiner letzten Fehlerdiagnose an diesem Sensortyp wurde ich aus den Messwerten nicht richtig schlau und habe auch zu schnell eine Diagnose gestellt, die sich beim nächsten Einsatz als falsch herausstellte.

Nach Austausch des Sensors zeigte die Maschinenelektronik immer noch permanent den Wert 4096 (12 bit, maximal möglicher Wert =maximaler Luftdruck erreicht) an.
Auch wenn der Pneumatikluftdruck bei 0 bar lag und eigentlich 0 im Display stehen müsste, zeigte die Elektronik den Wert 4096 an.

Zog ich den Stecker vom Sensor ab, wurden tatsächlich 0 Inkremente im Elektronikdisplay angezeigt.
Mein in Reihe zur Elektronik geschaltetes Strommeßgeät zeigte egal bei welchem Pneumatikdruck permanent 3.5mA an. Wie kann das sein?
Der Sensor war neu und konnte daher eigentlich nicht wieder defekt sein.
Hat der Analog/digitalwandler der Elektronik einen Schaden und mißt selbst bei einem Stromfluss von nur 3.5mA den vollen Ausschlag mit 4096?
****
Fehlerdiagnose
****
Darf ich den Ausgang 1 des Stromsensors direkt auf Ground legen (siehe gestrichelter Pfeil), um die vermeintlich defekte Elektronik außen vor zulassen und den tatsächlichen Stromwert zu messen? 
Ich vermute der Ausgang des Drucksensors wird damit nicht überlastet, da es sich um eine Stromquelle handelt. Ich bin mir aber nicht sicher und möchte meine Theorie daher von Euch bestätigen lassen.
Weiterhin vermute ich, dass die defekte Empfängerelektronik den Stromwert auf konstant 3.5mA begrenzt hat. Deswegen bin ich der Vermutung erlegen, dass der Druckluftsensor einen falschen Wert liefert und nicht die Elektronik defekt ist.
Ich könnte wohl auch ein 10k Poti an die 24V Versorgung anlegen und den Strom von 4-20mA variieren und die Werte mit den angezeigten Werten im Display vergleichen.

Für Ausführungen von Eurer Seite würde ich mich sehr freuen.
Für weitere Ausführungen, um das Problem noch genauer zu beschreiben stehe ich gern zur Verfügung.

Viele Grüße und besten Dank im Voraus,

Matthias aus Düsseldorf

#2

Hallo Matthias , 

Bild vom Sensor und der möglichen Schaltung

Darf ich den Ausgang 1 des Stromsensors direkt auf Ground
legen (siehe gestrichelter Pfeil), um die vermeintlich defekte
Elektronik außen vor zulassen und den tatsächlichen Stromwert
zu messen? 

Ja darfst du!
Auch ein Kurzschluss ist da zulässig.

Nur der maximal Widerstand nach oben ist begrenzt.
Irgendwann wird dieser so gross, dass der nötige Strom (20mA) nicht mehr fliessen kann,

Ich vermute der Ausgang des Drucksensors wird damit nicht
überlastet, da es sich um eine Stromquelle handelt.

Richtig!

Weiterhin vermute ich, dass die defekte Empfängerelektronik
den Stromwert auf konstant 3.5mA begrenzt hat. Deswegen bin
ich der Vermutung erlegen, dass der Druckluftsensor einen
falschen Wert liefert und nicht die Elektronik defekt ist.
Ich könnte wohl auch ein 10k Poti an die 24V Versorgung
anlegen und den Strom von 4-20mA variieren und die Werte mit
den angezeigten Werten im Display vergleichen.

Ursprünglich war die Norm 0…20mA.
Damit konnte aber ein Drahtbruch nicht erkannt werden, weshalb der Nachfolger dann 4…20mA wurde.

Der weitere technische Fortschritt (z.B. LCD an Stelle von LED) führte dann dazu, dass man die 4mA für die Stromversorgung der Sensoren und Anzeigen verwendet.

MfG Peter(TOO)

#3

Hallo Peter(TOO),

vielen Dank für Deine Unterstützung.

Nun kann ich beim nächsten Einsatz eine noch genauere und zielsichere Fehleranalyse durchführen.
Von den Stromsignalen an sich, gegenüber den Spannungssignalen, bin ich auch begeistert.
Zum einen ist die Drahtbruchsicherheit mit dem 4mA Mindeststrom gegeben und zum anderen verursachen kleine Übergangswiderstände an den Steckern keine Signalverfälschungen, wie es bei Spannungssignalen der Fall ist.

Andererseits meine ich zu glauben, dass bei Verschmutzungen und Feuchtigkeit am Drucksensorsteckers schnell Ableitströme fließen können. Dann fließt zur Auswertelektronik auch nicht mehr das gesamte Stromsignal, weil ein Teil über Masse abgeleitet wird.
Bei einem Kunden hatte ich nämlich das Problem, dass der Stecker mit Kriechöl und Fett der Kettenschmierung verschmutzt war.

Viele Grüße und einen schönen Feiertag wünsche ich,

Matthias aus Düsseldorf

#4

Hallo Matthias!

Von den Stromsignalen an sich, gegenüber den
Spannungssignalen, bin ich auch begeistert.
Zum einen ist die Drahtbruchsicherheit mit dem 4mA
Mindeststrom gegeben und zum anderen verursachen kleine
Übergangswiderstände an den Steckern keine
Signalverfälschungen …

Ja. Außerdem spielt der Widerstand der Kabelstrecken in weiten Grenzen keine Rolle und die Stromauswertung ermöglicht simple Zweidrahtverbindungen anstelle getrennter Versorgungs- und Signalleitungen. Wegen dieser Vorzüge ist die 0-20 mA bzw. 4-20 mA-Technik für Sensoren aller Art seit vielen Jahrzehnten (jedenfalls so lange ich denken kann) Industriestandard.

Andererseits meine ich zu glauben, dass bei Verschmutzungen
und Feuchtigkeit am Drucksensorsteckers schnell Ableitströme
fließen können. Dann fließt zur Auswertelektronik auch nicht
mehr das gesamte Stromsignal, weil ein Teil über Masse
abgeleitet wird.

Es gibt halt nix umsonst. Den Vorzügen stehen natürlich auch Schwächen gegenüber. Im Wasser (besonders gut kommt Salzwasser) liegende Kabelstrecken, beschädigte Schutzkappen auf Anschlüssen und von innen versiffte Schaltschränke können zu Fehlerströmen führen.

Bei einem Kunden hatte ich nämlich das Problem, dass der
Stecker mit Kriechöl und Fett der Kettenschmierung verschmutzt
war.

Der Dreck ist an manchen Stellen unvermeidlich, aber Dichtungen und Kappen sind nicht unbedingt dauerhaft öl-und fettresistent.

Gruß
Wolfgang

#5

Hallo, 

Bild vom Sensor und der möglichen Schaltung

Nach Austausch des Sensors zeigte die Maschinenelektronik
immer noch permanent den Wert 4096 (12 bit, maximal möglicher
Wert =maximaler Luftdruck erreicht) an.

Ist diese Maschinenelektronik hinter dem 20mA-Eingang, den du als Empfänger gekennzeichnet hast? Es besteht die Möglichkeit, das der Meßshunt am Eingang (üblich irgend was zwischen 10…200 Ohm) abgeraucht ist oder abgeklemmt.
Dann hast du dort trotz geringem Strom eine hohe Ringangsspannung.

Auch wenn der Pneumatikluftdruck bei 0 bar lag und eigentlich
0 im Display stehen müsste, zeigte die Elektronik den Wert
4096 an.

Zog ich den Stecker vom Sensor ab, wurden tatsächlich 0
Inkremente im Elektronikdisplay angezeigt.

Wo? Am sensor oder am Empfänger?

Mein in Reihe zur Elektronik geschaltetes Strommeßgeät zeigte
egal bei welchem Pneumatikdruck permanent 3.5mA an. Wie kann
das sein?

Fall der Sensor 4mA abgeben will, aber der Schleifenwiderstand viel zu groß ist, weil z.B. Meßshunt am Empfänger defekt), dann kann sich so ein fehlerbild ergeben.

Hat der Analog/digitalwandler der Elektronik einen Schaden und
mißt selbst bei einem Stromfluss von nur 3.5mA den vollen
Ausschlag mit 4096?
****

Prüfe es, indem du einen Strom simulierst.
Kontrolliere mal bei gege. Strom die Eingangsspannung am Empfänger.
Bei angenommenen 100 Ohm für den Meßßsgunt dürften bei 3,5mA nur ca. 0,35V anliegen.
Evtl. ist es etwas mehr, fall noch Schutzbeschaltungen vor dem Meßshunt sind.

Fehlerdiagnose
****
Darf ich den Ausgang 1 des Stromsensors direkt auf Ground
legen (siehe gestrichelter Pfeil), um die vermeintlich defekte
Elektronik außen vor zulassen und den tatsächlichen Stromwert
zu messen? 

Um den tatsächlichen Stromwert in der Schleife zu messen, wird eben einfach ein Strommessgerät eingeschleift.

Ich vermute der Ausgang des Drucksensors wird damit nicht
überlastet, da es sich um eine Stromquelle handelt.

Ja, wie schon geschrieben, ist ein Schleifenwiderstand zwischen 0 Ohm und dem max. zulässigen Messshunt (üblich 500…800 Ohm) möglich.

Weiterhin vermute ich, dass die defekte Empfängerelektronik
den Stromwert auf konstant 3.5mA begrenzt hat.

Kann sein.

Ich könnte wohl auch ein 10k Poti an die 24V Versorgung
anlegen und den Strom von 4-20mA variieren und die Werte mit
den angezeigten Werten im Display vergleichen.

Mache das.
Allerdings braucht du möglichst einen Drahtpoti mit ausreichender Belastbarkeit.
Bei Poti mit Kohleschicht wird diese wahrscheinlich beschädigt.
Einzelwiderstände im Bereich von 1kOhm … 10kOhm gehen aber auch zum Testen.
Gruß Uwi

#6

Hallo Matthias ,

Von den Stromsignalen an sich, gegenüber den
Spannungssignalen, bin ich auch begeistert.
Zum einen ist die Drahtbruchsicherheit mit dem 4mA
Mindeststrom gegeben und zum anderen verursachen kleine
Übergangswiderstände an den Steckern keine
Signalverfälschungen, wie es bei Spannungssignalen der Fall
ist.

Kommt noch hinzu, dass die meisten Störsignale als Spannungsänderung auftreten, da ist ein Strom weniger davon betroffen.

In der Industrie wurden früher auch Stromschleifen an Stelle von RS-232 verwendet, üblich waren 20mA, 40mA und 60mA.

Der Fernschreiber und das analoge Telefon verwendeten auch eine Stromschleife. Wie schon geschrieben wurde, spielt dann der Leitungswiderstand keine Rolle, zumindest bis zu einem maximalen Wert.
Zumindest theoretisch ist bei einer Stromschleife die Spannung konstant, somit spielen Leitungskapazitäten auch keine Rolle, Kondensatoren werden nur durch Spannungsänderungen umgeladen.

Drahtbrucherkennung geht auch mit Spannung, es muss ja nicht 0…10V sein, man kann auch 1…10V verwenden.

Andererseits meine ich zu glauben, dass bei Verschmutzungen
und Feuchtigkeit am Drucksensorsteckers schnell Ableitströme
fließen können. Dann fließt zur Auswertelektronik auch nicht
mehr das gesamte Stromsignal, weil ein Teil über Masse
abgeleitet wird.

Alles hat auch seine Nachteile!

Bei 4…20mA hat man keine Möglichkeit Energie zu sparen, ausser man unterbricht die Stromschlaufe, wenn der Sensor nicht benötigt wird. Ist also nicht so für Solarbetrieb geeignet.

Die Drahtbrucherkennung ist natürlich bei 4…20mA genial einfach, aber wie erkennst du einen zu hohen Schleifenwiderstand? Der Sensor liefert dann nie ein Signal mit 20mA.
z.B. kann dann eine Temperatur als Konstant angezeigt werden, obwohl sie in Wirklichkeit bedenklich ansteigt. OK, kann man durch umdefinieren in 4…20mA entsprechend 100…0°C umgehen, aber wenn man zwei Grenzwerte hat …

MfG Peter(TOO)

#7

Nachtrag:
Hallo Matthias,

Zur Grundausstattung gehört natürlich ein Amperemeter und eine Stromquelle mit mindestens 0…20mA.

Es gibt auf Stromschleifen ausgelegte Multimeter mit eingebauter Stromquelle oder man bastelt sich das selbst zusammen.
Zum Testen muss die Stromquelle auch nicht besonders genau sein und es genügt auch ein Stufenschalter mit z.B. 0, 4, 8, 12, 16 und 20mA. Damit hätte man schon mal den Drahtbruch, 0%, 25%, 50%, 75% und 100% abgedeckt.

MfG Peter(TOO)

#8

Definiere bitte Maschinenelektronik… ist das eine SPS? Wenn du den digitalen Rohwert sehen kannst… könnte man das vermuten. Wie ist der Analogeingang eingestellt? Sitzen eventuell der Messwürfel oder die Verdrahrung auf der Eingangskarte richtig?